丹江支流南秦河麻池河水位站預警水位確定

馬 博

（陜西省水旱災害防御中心,陜西 西安 710004）

1 測站概況

1.1 測站基本情況

南秦河麻池河水位站位于長江流域丹江水系南秦河上游,屬2011年中小河流水文監測系統建設的水位站,測站編碼62003120,位于陜西省商洛市商州區楊鎮楊斜村,距楊斜鎮下游5.5 km,控制流域面積207.5 km2,河長22.6 km,比降26.6‰,測站斷面以上流域設有東岳廟、楊斜2 個遙測雨量站。

1.2 測站設施設備

該站配有雷達水位計、翻斗式雨量計、通信終端RTU、太陽能充蓄電池、避雷設備各一套,2 支人工直立式水尺、斷面標志、斷面樁各一對,一條下河觀測道路,有BM1 和BM2兩處水準點,BM1 設在楊斜鎮楊斜村組王英明家院子,距灶房坎沿下0.5 m,距正房16.0 m,相對于水位站右岸下游40 m公路里村莊,引測高程888.043 m；BM2 設在水位站右岸,從下河臺階前坎向下游直線距離16.0 m,公路邊綠化帶處,引測高程887.305 m,兩處水準點高程均采用黃海基面。

1.3 測驗河段情況

麻池河水位站測驗河段順直,測驗區間為卵石、砂礫石河床,中低水中泓靠右岸。兩岸為公路路基,河流左岸為滬陜高速G40 路基,高速路基砍高平均約7 m 左右,右岸為洛柞線S307 省道路基,路基砍高平均約6.5 m 左右。上、下斷面間距200 m,距中斷面約200 m 的下游處有一攔砂壩,壩高1.5 m,對水位站的影響很小,斷面形狀大致呈不規則U 形。測得大斷面高程數據見表1,大斷面圖見圖1。

圖1 麻池河水位站大斷面圖

表1 麻池河水位站大斷面測量數據

1.4 測站報汛任務及報汛曲線

麻池河水位站為汛期站,報汛項目為雨量和水位；即每年5 月1 日至11 月1 日報日、旬、月降雨量,起報標準為1 mm,按24-24 段次報雨量和水位信息。

麻池河報汛曲線的率定采用曼寧公式。率定時依據河床及岸壁情況,糙率選用0.040,比降采用實測值8.1‰,報汛曲線見圖2。

圖2 麻池河水位站報汛曲線

2 測站上下游水利工程及下游防洪對象

2.1 水利工程

對麻池河水位站上下游進行現場踏勘調查,發現每隔800m 左右,建有攔砂壩,壩高約1.5 m 左右。建攔砂壩主要目的是保護兩岸河堤基礎,對本站水位流量關系有一定的控制作用；距測站上游300 m、500 m 處及下游處800 m 各有普通人行石拱橋一座,除此無其它水利工程。

2.2 防洪對象

對測站斷面上下游進行實地調查,防洪對象為測站上下游河道兩邊公路路基、拱橋和耕地。

測站上下游村民住房大多坐落在公路兩側的田地里,河沿上有少數居民住房。居民房基均高于普通公路路基,一河兩岸耕地約8000 余畝,涉及2 個村民小組,住戶800 戶左右,人口約0.3 萬人。

3 防洪對象的洪水設計標準及防洪能力

3.1 公路路基設計標準

由現場踏勘,麻池河水位站上下游河道均沿公路穿行,左岸為高速路,路基洪水設計標準為100年一遇以上,右岸為洛南縣至柞水縣的縣級公路路基,設計洪水標準25年一遇以上。

3.2 上下游拱橋泄水能力

通過現場測算上游較小的拱橋有2 個孔口,單跨長24.3 m,拱高6.5 m,左右對稱,2 孔總過水面積92.9 m2,洪水流速按3.8 m/s 計,過水能力約353 m3/s,下游拱橋也為2 個孔口,單跨長12.5 m,拱高4.45 m,左右對稱,2 孔總過水面積80.2 m2,本橋所處河段比降較上游稍大,洪水流速按4.4 m/s 計,過水能力約361 m3/s。上下游橋的防洪能力均在10年一遇以上。

3.3 河道兩岸耕地防洪能力

上下游河道兩岸的耕地大部分布在兩岸路基以上,有少部分耕地處在路基路沿外,高于路基以上的均有25年以上的防洪標準,在低于路沿以下的,選一較小行洪能力的河段,測得一個過水斷面及河道比降,根據河床情況選取糙率為0.040,用曼寧公式推求該處斷面的最大行洪能力為210 m3/s,當流量超過此值時會漫過公路路基外沿的部分耕地。

4 預警水位確定方法

根據麻池河目前現有的資料情況,屬于無資料區域設計洪水,因此采用商洛水文手冊中提供的匯水面積法、綜合參數法及暴雨資料分別推求測站2年及5年一遇頻率的洪峰流量,采用比耕地防洪能力偏小的洪水流量作為預警流量,再由這個預警流量在麻池河水位站率定的水位流量關系線上查算其相應水位,即為確定的預警水位。

4.1 匯水面積相關法

按照《商洛地區實用水文手冊》中暴雨洪水分析總結的匯水面積相關經驗公式,計算站址處的設計洪峰流量。計算公式如下：

式中：QN為重現期為N 的設計洪峰流量,m3/s；A 為設計流域面積,km2；KN、n 為重現期為N 的經驗參數和指數,指數n 采用手冊值0.059。

麻池河水位站斷面以上流域積為207.5 km2。根據設計洪水標準在手冊查得的參數、指數,得設計洪峰流量見表2。

表2 匯水面積相關法洪水計算成果表

4.2 綜合參數法

按照《商洛地區實用水文手冊》中暴雨洪水分析總結的綜合參數法相關經驗公式,計算站址處的設計洪峰流量。計算公式如下：

式中：Qp為設計頻率為p 的洪峰流量,m3/s；F 為設計流域面積,km2；J 為主河道平均比降,‰；Hp為設計頻率為p 的的六小時暴雨量,本次計算分別采用實測值,即H0.1=63.8 mm,H0.2=50 mm,H0.5=32 mm；Kp為經驗參數；n、a、β為經驗指數。

根據設計洪水標準在手冊查算參數、指數,得計算設計洪峰流量見表3。

表3 綜合參數法洪水計算成果表

4.3 由暴雨推求設計洪水

根據楊斜雨量站1947年~2013年47年的雨量資料,分別統計其歷年1 h、3 h、6 h、12 h、24 h 時段內最大降雨量,用頻率計算的方法分別推求其頻率為2年、5年、10年的設計暴雨量。在設計暴雨確定后,由點雨量系數公式：

式中：at為歷時為t 的暴雨點面系數；F 為設計流域面積,km2；at、bt為線型擬合參數）確定面雨量。根據商洛水文手冊,選用24 小時的設計暴雨時程分配雨型求其時段降雨量。

由暴雨間接推求洪水,首先假定設計暴雨與設計洪水是同頻率。根據該區域水文氣象、地質地貌、下墊面等因素確定產流方式為蓄滿產流。因此按蓄滿產流方式計算設計降雨過程的凈雨過程,推理公式：

式中：Qm為洪峰流量,m3/s；ht為單雨峰的凈雨,mm；F 為流域面積；m 為經驗性的匯流系數；L 為河流長度,km；J 為河道平均比降；τ為流域匯流時間,h；0.278 為單位換算系數。

推算成果見表4。

4.4 綜合比選確定預警水位

通過以上計算分析,由多種方法推算的設計洪水成果見表5 及防洪對象的防洪能力見表6,通過列表數據可以看出,防洪對象的最小防洪能力為耕地247 m3/s,從推求的2年一遇設計洪水數值上看偏小,對預警意義不大,5年一遇設計洪水數值較接近,因此預警流量應在5年一遇的設計洪水范圍中采取。為引起人們的警覺,綜合考慮波浪爬高、河道淤積等因素,采用200 m3/s 作為預警流量,由該站率定的水位流量關系曲線查算得其相應水位為885.43 m。即把885.43 m 確定為該站的預警水位。

表5 推算成果數據比選表

表6 上、下游拱橋及耕地的防洪能力表

5 預警水位合理性分析

經過計算分析確定的麻池河預警水位885.43 m,相應流量200 m3/s,相當于5年一遇設計洪水標準。通過現場踏勘測站上下游河道,并對防洪對象的計算和分析得出,當麻池河水位站出現警戒水位時,兩岸路基均在25年以上設計洪水標準,因此測站上下游范圍內高速路、縣級路的路基均在安全范圍內；同時上下游拱橋的防洪能力已超過10年以上的防洪標準,也在安全范圍內;但是,如果上游的降雨引起洪水上漲,超過這個警戒流量對應的水位值時,河道兩旁的部分耕地將有可能受到洪水沖擊,遭遇洪澇或發生其它不安全因素,這時就要引起防汛管理部門的警惕。因此認為預警水位基本合理。

6 結論

麻池河水位站上下游附近河道會受到洪水及人類活動等因素的影響將有所變化,由于河道斷面的變化會引起預警水位的變動,因此,在使用麻池河水位站預警水位過程中,應根據麻池河水位站上下游河道演變情況,及時修定預警水位值,為防汛部門提供合理的防洪指標。